朱亞輝

摘? 要：對于承受壓力的殼體要求開孔用以安裝電子產(chǎn)品，由于開孔使得殼體的強(qiáng)度明顯削弱。開孔殼體的補(bǔ)強(qiáng)問題不僅影響了殼體是否安全，而且也是整體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)靜力學(xué)優(yōu)化的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一。利用MSC.Patran建立SHELL單元模型，在開孔區(qū)域增加殼體厚度，在孔邊界按柱坐標(biāo)徑向增加邊殼體單元，簡化了計(jì)算工作量。利用有限元分析軟件MSC.Nastran進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算。通過開孔區(qū)域補(bǔ)強(qiáng)殼體優(yōu)化可以得出孔邊應(yīng)力的最優(yōu)結(jié)果，為產(chǎn)品設(shè)計(jì)提供技術(shù)支持。

關(guān)鍵詞：開孔圓筒;有限元分析;補(bǔ)強(qiáng)

中圖分類號：TH49? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2019）07-0127-03

Abstract： For the shell under pressure， the opening is required to install electronic products， and the strength of the shell is obviously weakened because of the opening. The reinforcement of the perforated shell not only affects the safety of the shell， but also is one of the key links in the statics optimization of the whole system. The SHELL element model is established by MSC.Patran， the shell thickness is increased in the open hole area， and the edge shell element is added radially according to the column coordinate at the hole boundary， which simplifies the calculation workload. The finite element analysis software MSC.Nastran is used to calculate the strength. Through the optimization of the reinforcement shell in the opening area， the optimal result of the hole edge stress can be obtained， which provides technical support for the product design.

Keywords： perforated cylinder; finite element analysis; reinforcement

引言

置于水下的圓柱殼體由于受到水壓作用而存在強(qiáng)度剛度問題。受壓下的殼體常需開設(shè)各種孔口，如儀表、部件的安裝孔、檢查孔等;開孔殼體存在著強(qiáng)度和剛度的削弱。開孔殼體的補(bǔ)強(qiáng)問題不僅影響了殼體是否安全，而且也是整體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)靜力學(xué)優(yōu)化的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一[1]。利用MSC.Patran[2]建立SHELL單元模型對開孔殼體進(jìn)行了強(qiáng)度分析，把開孔影響區(qū)域作為一個(gè)補(bǔ)強(qiáng)模塊，通過改變補(bǔ)強(qiáng)模塊的厚度，計(jì)算得到滿足工程要求的設(shè)計(jì)。

1 有限元計(jì)算模型

根據(jù)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，建立了兩種有限元計(jì)算模型，一種模型是沒有補(bǔ)強(qiáng)的原始模型;另一種是在原有模型的基礎(chǔ)上進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)。圖1為開孔圓柱殼體剖面示意圖，圖2為有限元計(jì)算模型圖，約束形式為圓柱殼體兩端全約束，載荷形式為圓柱殼體外部承受均布壓力。

圖3為有補(bǔ)強(qiáng)的開孔圓柱殼體結(jié)構(gòu)剖面圖。補(bǔ)強(qiáng)模型建立分為兩步：第一步，不從開孔圓向外延伸20mm，建立殼體上的圓環(huán)并進(jìn)行網(wǎng)格劃分;第二步，對開孔圓邊界線進(jìn)行BAR單元分網(wǎng)，同時(shí)建立局部柱坐標(biāo)系，在局部柱坐標(biāo)系把BAR單元按10mm長度、5等份拉伸（Extrude）成shell單元[3]，最后進(jìn)行重合節(jié)點(diǎn)的合并。

圖4為補(bǔ)強(qiáng)有限元模型圖，殼體補(bǔ)強(qiáng)有限元網(wǎng)格與殼體原有限元網(wǎng)格完全重合，重合區(qū)域按兩部分殼單元分別輸入厚度，這樣就無需進(jìn)行殼單元的偏置。由于補(bǔ)強(qiáng)模型由殼單元建立，所以，只要簡單地修改殼單元的厚度就能夠得到工程上限制的圓柱殼體開孔區(qū)域的最大應(yīng)力。

2 數(shù)值仿真結(jié)果

圖5給出開孔殼體最大等效應(yīng)力云圖，可以看出，開孔殼體最大等效應(yīng)力為1730MPa，由于應(yīng)力集中使得結(jié)構(gòu)已經(jīng)失穩(wěn)，所以必須進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)工作。

補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算是通過改變補(bǔ)強(qiáng)模塊殼單元的厚度進(jìn)行多次計(jì)算得到的，共進(jìn)行了10次計(jì)算，圖6給出第10次計(jì)算開孔殼體最大等效應(yīng)力云圖，最大值為136MPa;圖7給出補(bǔ)強(qiáng)模塊的最大等效應(yīng)力云圖，最大值為163MPa，可以看出，最大等效應(yīng)力已經(jīng)滿足了設(shè)計(jì)要求。從圖中可以看出，結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和剛度具有明顯的改善。

隨著補(bǔ)強(qiáng)模塊厚度改變增大，開孔殼體最大等效應(yīng)力減小，表1給出補(bǔ)強(qiáng)模塊厚度按25%增大時(shí)，開孔殼體最大等效應(yīng)力的變化，圖8給出開孔殼體最大等效應(yīng)力與補(bǔ)強(qiáng)模塊厚度關(guān)系曲線，為無量綱值。

3 結(jié)論

利用有限元分析軟件可以很好解決圓柱殼體的開孔和補(bǔ)強(qiáng)問題。采用殼體結(jié)構(gòu)進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)操作簡單，由于殼單元厚度的參數(shù)化，用戶不用修改模型，也無須使用PCL編程就可以達(dá)到最優(yōu)結(jié)果。該方法可以很好用于分析圓柱殼體的開孔和補(bǔ)強(qiáng)的力學(xué)特性，為工程設(shè)計(jì)帶來方便。

參考文獻(xiàn)：

[1]強(qiáng)保平.飛機(jī)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度地面試驗(yàn)[M].北京：航空工業(yè)出版社，2014.

[2]MSC Software.Pastran? reference[K].2012.

[3]張永昌.MSC/Nastran有限元分析理論基礎(chǔ)與應(yīng)用[M].北京：科學(xué)出版社，2004.